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INSTRUMENTOS DEL LABORATORIO

El uso de instrumentos es clave a la hora de desarrollar aplicaciones. Nos centramos en el estudio de los polímetros, fuentes de alimentación, generadores de funciones y osciloscopios. A partir de unos modelos genéricos veremos las funciones básicas de estos y su forma de uso.

 

 

PARÁMETROS (TERMINOLOGÍA)

A la hora de utilizar un instrumento entran en juego una serie de términos relacionados con la medición. Estos parámetros caracterizan cada instrumento y entre ellos podemos destacar:

1. Exactitud: Aproximación con que la lectura de un instrumento se acerca al valor real de la variable medida.
2. Repetibilidad (precisión): Capacidad de un instrumento de dar siempre un mismo resultado al medir la misma magnitud.
3. Resolución: Cambio más pequeño en el valor medido al cual responde el instrumento.
4. Sensibilidad: Respuesta de un instrumento respecto a un cambio en la variable medida.

No debemos confundir los términos precisión (repetibilidad) y exactitud. La precisión no garantiza la exactitud, pero la exactitud necesita de la precisión. Mientras que la exactitud está referida al grado de aproximación entre el valor medido y el valor real, la precisión especifica el grado de concordancia de un conjunto de medidas.
La exactitud de los instrumentos depende del tipo de presentación de las medidas, analógicas o digitales. En indicadores analógicos este se da en % a fondo de escala (por ejemplo 3% a fondo de escala), mientras que en indicadores digitales se expresa en % más un número de conteos del dígito menos significativo (por ejemplo 0,05% +/- 1 dígito).
La resolución en instrumentos de presentación analógica es la típica de los sistemas gráficos y escalas (unos 0,3 mm), sin embargo en los de presentación digital esta se corresponde con el significado del dígito menos significativo. Así, un amperímetro cuyo rango va desde 000,0 μA a 199,9 μA tiene una resolución de 0,1 μA.
El aumento de la resolución de un instrumento depende de la sensibilidad y la aplicación. Así, en el ejemplo anterior, si se aumenta la resolución en 0,001 μA, y la sensibilidad del amperímetro es menor, los dos últimos dígitos responderán más a interferencias y ruido que a cambios producidos en la entrada.

 

POLÍMETRICOS GENÉRICOS

 

 

  1. Conmutador alterna-continua: se seleccionará una u otra opción dependiendo de la tensión (continua o alterna).
    2. Selección de funciones: determinamos que medida vamos a realizar; medida de resistencia (ohmios),de capacidad (condensadores), de tensión, o de corriente.
    3. Diodos y continuidad: para la comprobación de diodos (obtenemos tensión de codo), y comprobación de continuidad (el circuito no está abierto).
    4. Selección de escala: utilizaremos una escala superior al valor de la medida que vayamos a realizar. Si esta es desconocida, empezaremos por la escala mayor e iremos bajando sucesivamente hasta obtener el resultado de nuestra medida. Si la medida sobrepasa el valor de fondo de escala seleccionada, algunos polímetros suelen indicarlo mediante el parpadeo de las cifras que aparecen en el display.
    5. Interruptor.
    6. Entrada: en ellas se conectan las puntas de medida.
    7. Ranuras de inserción del condensador: aquí insertamos el condensador cuya capacidad vamos a medir.
    8. Display.

 

POLÍMETROS: TOMA DE MEDIDAS


Para no dañar el instrumento es muy importante respetar la selección de función adecuada y escala para cada medida. Si no sabemos el nivel de escala a seleccionar inicialmente, utilizaremos la mayor e iremos bajando progresivamente hasta obtener el resultado

Entre las principales medidas que podemos realizar con un polímetro destacamos:

    MEDIDA DE TENSIONES:
No se deben medir tensiones (tanto continuas como alternas) más elevadas que las máximas que soporta el instrumento.
Seleccionamos función (tensión), modo (AC/DC) y escala (en el caso de no saber el valor a medir empezaremos por la escala mayor).
La medida de tensión siempre se realizará colocando el instrumento en paralelo con el circuito del cual se va a obtener la medida.
Cuando midamos tensiones continuas hay que tener en cuenta la polaridad de los bornes de entrada (negro el negativo y rojo el positivo).
Si las medidas son de tensión alterna el polímetro mide valores eficaces.

    MEDIDA DE INTENSIDADES:
No se deben medir intensidades más elevadas que las que soporta el instrumento.
Seleccionamos función (intensidad), modo (AC/DC) y empezaremos con la mayor escala para ir bajando progresivamente hasta obtener la medida.
La medida de intensidad siempre se realizará colocando el instrumento en serie con el circuito del cual se va a obtener la medida.

    MEDIDA DE RESISTENCIAS:
Antes de conectar la resistencia debemos asegurarnos de que no hay tensión actuando en la misma
Seleccionamos función (ohmios) y actuamos sobre la escala hasta obtener el valor de esta (la opción AC/DC es inoperante y no influye en las medidas).

    MEDIDA DE CAPACIDADES:
Como función se suele seleccionar la opción de OHMIOS, y en modo AC.
Es importante descargar el condensador antes de medir su capacidad. Cuando se trate de un condensador electrolítico tendremos que respetar la polaridad.

    COMPROBACIÓN DE DIODOS:
Seleccionamos función y aplicamos los terminales respetando la polaridad. Obtendremos la tensión de coco del diodo.
Si el diodo está en corte suele aparecer en pantalla "0.0" y si está abierto "1.".
Nunca se debe medir en circuitos que estén funcionando.

    COMPROBACIÓN DE CONTINUIDAD:
Seleccionamos función y aplicamos los terminales. El zumbador sonará cuando el circuito no esté cortado.
El circuito a medir debe estar sin tensión durante esta comprobación.

    MEDIDAS DE TRANSISTORES:
Con esta opción medimos la ganancia de corriente del transistor. Seleccionamos función (Hfe), sacamos el transistor del circuito y lo insertamos en los orificios respetando su tipo (NPN o PNP) y los terminales (base, emisor y colector).
Si un transistor NPN se inserta en el orificio de PNP (o viceversa) aparecerá una lectura nula, de forma que conseguimos identificar el tipo de transistor.
Si las patillas no están insertadas correctamente (base, emisor y colector) el valor que obtenemos se acerca a cero.

    DIODOS LED:
De la misma forma que con los diodos normales, si el polímetro tiene esta opción lo podemos aplicar a los diodos LED.

    NIVELES LÓGICOS:
Suelen permitir hacer medidas lógicas TTL. Para ello seleccionamos función (LOGIC), aplicamos los terminales y obtendremos un "1" lógico si está en nivel alto o un "0" lógico si se encuentra en nivel bajo

   MEDIDA DE FRECUENCIA:
Conseguimos medir la frecuencia a la que trabaja un circuito sometido a una determinada tensión.
Cuando el polímetro tiene esta opción suele aparecer un interruptor TRIG (LEVEL) con dos posiciones: HI y LOW. Si se encuentra en la posición HI, el rango de operaciones en circuitos con familias TTL o CMOS sometidos a ondas cuadradas, suele ser el siguiente:
- De 1.6 a 16 V de pico tenemos una frecuencia que va de 2 Khz. a 2 MHz.
- De 1.6 a 5 V de pico, la frecuencia va desde 2 hasta 15 MHz y 20 MHz.
- De 1.6 a 3.3 V de pico, la corresponde una frecuencia de 15 a 20 MHz.
Si por el contrario se encuentra en la posición LOW, se nos presenta que para cualquier tipo de ondas el rango de frecuencias suele ser el siguiente:
- Para 100 mV eficaces la frecuencia va de 2 Khz. a 2 MHz.
- DE 200 mV - 3.5 V eficaces el rango de frecuencia va de 2 KHZ a 2 MHz.

 

 

1. Display.
2. Conmutador alterna-continua (AC/DC): se seleccionará una u otra opción dependiendo de la tensión (continua o alterna).
3. Interruptor rotativo. Selección de funciones y escalas: rotando el cursor conseguimos seleccionar la magnitud (tensión, intensidad, etc.) y el valor de escala (siempre mayor a la medida en cuestión).
4. Ranuras de inserción de condensadores: aquí insertamos el condensador cuya capacidad vamos a medir.
5. Orificio para la Hfe de los transistores: aquí insertamos el transistor cuya ganancia vamos a medir.
6. Entradas: en ellas se conectan las puntas de medida
7. Interruptor.

(Comentarios basados en los modelos PROMAX MD-100, EDIF-2116, MIC-16H y CIRCUITMATE DM27XL)

 

FUENTES DE ALIMENTACIÓN


Presentamos dos fuentes de alimentación tipo y cual puede ser su modo de operación de una forma genérica. A partir de estas podemos obtener una base sobre el manejo de las distintas fuentes de alimentación.

 

 

1. Voltímetro: En este display leemos la tensión entregada por la fuente para cada uno de los dos canales (S1 o S2 según esté pulsado el selector de canal).
2. Selector de funciones: Por medio de este selector elegimos el modo de funcionamiento de la fuente: independiente, simétrico, serie y paralelo.
3. Selector de canal: Con la función independiente disponemos de dos fuentes en las que podemos regular la tensión e intensidad por cada una de ellas.
4.-5. Ajuste de tensión: Por medio de los controles grueso y fino (los de la izquierda para S1, fuente 1, y los de la derecha para S2, fuente 2) regulamos la tensión de salida que aparecerá constantemente en el voltímetro (display).
6. Ajuste de la intensidad límite: Cortocircuitando la salida de la fuente a usar, regulamos la corriente máxima por medio de este control (el de la izquierda para S! y el de la derecha para S2). El amperímetro (display) indicará constantemente el valor de la corriente de salida.
7. Salidas.
8. Masa de canal 1.
9.-10. Salida de +5 V, -5 V: Aquí disponemos de una salida de 5 V, 2 A independiente de los demás controles para la aplicación principalmente en montajes digitales con tecnología TTL.
11. Masa de canal 2.
12. Amperímetro: En este display leemos la intensidad entregada por la fuente para cada uno de los canales (S1 o S2 según esté pulsado el selector de canal).

 

 

En terminos generales, con esta fuente se seguirá el mismo procedimiento que con la anterior, sin embargo podemos comentar diversas peculiaridades:
Disponemos de salidas simétricas que van de 0 a +/- 15 V, y una regulación de intensidad de 0 a 2 A. La existencia de dos canales, CH1 y CH2, nos permite seleccionar el tipo de fuente que vayamos a utilizar, pues estos canales están conectados internamente entre sí, pero con polaridad inversa, de tal forma que cualquier tensión positiva o negativa seleccionada previamente puede cambiar de polaridad a través del interruptor 4 (selector de canal).
Para una correcta obtención de tensión actuaremos sobre los ajustes grueso y fino de la tensión de salida y sobre los terminales de salida. Dependiendo de la salida que deseemos obtener así será la conexión de estos terminales: para una salida simétrica se actúa sobre los conectores +15 V y -15 V; para una salida negativa lo haremos sobre el común (COM) y -15 V, etc.. Entre el terminal +15 y -15, sin usar el común, podemos obtener hasta 30 V.
La regulación de intensidad límite se hace igual que en el caso de la fuente anterior.

(Comentarios basados en los modelos FAC 662B y MPS 60)

 

GENERADOR DE FUNCIONES (GENÉRICOS)

 

1. Interruptor.
2. Selector de banda: actuando sobre él establecemos el margen de frecuencias en el que nos vamos a mover.
3. Selector de la forma de onda: Determinamos si la onda va a ser cuadrada, senoidal o triangular.
4. Selector de frecuencias: Actuando sobre este selector ajustamos la frecuencia que estará dentro del margen elegido (selector de banda). Esta frecuencia será aquella que indique el selector de frecuencias multiplicada por el límite inferior de la banda elegida en el selector de banda.
5. Control de la amplitud: Aumentamos o disminuimos la amplitud de la onda. Para controlarla podemos conectar la salida a un osciloscopio, y una vez visualizada, actuamos sobre este control.
6. Terminal para señales TTL: Obtenemos de esta salida una señal de impulsos TTL para su aplicación a estos circuitos.
7. Terminal de salida.
Para la obtención de una señal seguiremos los siguientes pasos: seleccionamos la forma de onda (3) y la banda de frecuencias (2), ajustamos la frecuencia (4) y por último la amplitud.
Es muy importante no suministrar tensión alguna a los terminales de salida ya que podríamos dañar al instrumento.

 

 

1. Control de la amplitud: Determinamos la amplitud de la señal de salida.
2. Tensión de Offset: Superponemos un determinado nivel de tensión continua a la señal de salida previamente ajustada.
3. Selector del rango de frecuencias: Determinamos el margen de frecuencias en el que nos vamos a mover con el control de frecuencias.
4. Selector de función: Determinamos la forma de la señal de salida.
5. Salida principal: Aquí disponemos de la señal previamente seleccionada y ajustada a nuestros requerimientos.
6. Señal de salida TTL: Dependiendo del tipo de generador podemos disponer de una señal cuadrada de una amplitud fija predeterminada y de una frecuencia variable a través de los controles.
7. Conmutador de barrido: Disponemos de un barrido interno que habilita los controles rango de barrido (8) y amplitud de barrido(9).
8. Rango de barrido: Ajusta el rango de la señal interna de barrido y la repetición del mismo.
9. Control de la amplitud de barrido: Ajusta la amplitud de la señal de barrido interna.
10. Control de frecuencia: Ajusta la frecuencia de salida dentro del rango seleccionado en (3).
11. Interruptor.

(Comentarios basados en los modelos PROMAX GF100 y TEKTRONIX CGF 250)

 

OSCILOSCOPIOS GENÉRICOS


Los osciloscopios son instrumentos más complejos que los polímetros, generadores, etc..Presentamos a continuación lo que podría ser un osciloscopio genérico, con sus controles más característicos, de forma que nos permita familiarizarnos con estos.

1. Atenuador vertical (CH1): Seleccionamos los voltios en cada división (rejilla), para el primer canal.
2. Ajuste fino sensibilidad vertical (CH1): Precisamos el ajuste del atenuador vertical.
3. Desplazamiento vertical de canal 1: Desplazamos la señal verticalmente.
4. Selector AC-GND-DC de canal 1: En el canal 1 seleccionamos la señal a visualizar (alterna o continua), o con la posición GND situamos la masa en el nivel de referencia que queramos.
5. Modos de funcionamiento: Con este conmutador seleccionamos la señal a visualizar. Si pulsamos CH1 aparecerá la señal del canal 1, si pulsamos CH2 aparecerá la señal del canal 2, pulsando CH1 y CH2 simultáneamente aparece la suma de las dos señales. Pulsando ALT en la pantalla obtenemos las dos señales, si pulsamos CHOP el barrido se produce más lentamente.
6. Atenuador vertical (CH2): Seleccionamos los voltios en cada división (rejilla), para el segundo canal.
7. Ajuste fino sensibilidad vertical (CH2): Precisamos el ajuste del atenuador vertical.
8. Inversor de la señal de canal 2: Con este interruptor invertimos la señal del canal 2. Si pulsamos este, y en los modos de funcionamiento CH1 y CH2 simultáneamente, en la pantalla obtenemos la diferencia de las dos señales.
9. Selector AC-GND-DC de canal 2: En el canal 2 seleccionamos la señal a visualizar (alterna o continua), o con la posición GND situamos la masa en el nivel de referencia que queramos.
10. Entrada vertical (CH1): Entrada para la sonda (canal 1).
11. Desplazamiento vertical de canal 2: Desplazamos la señal verticalmente.
12. Desplazamiento horizontal: Con este mando variamos la posición horizontal del trazo. Con la opción PULL x 10 MAG (sacando el conmutador) dividimos la escala del tiempo por 10.
13. Tiempo de barrido: Seleccionamos el tiempo de cada división de la rejilla.
14. Ajuste fino de la base de tiempos: Precisamos el ajuste de la base de tiempos.
15. Modos de disparo: Con este conmutador seleccionamos el modo de disparo:
-AUTOMÁTICO (posición Auto): los impulsos de barrido se generan internamente.
-NORMAL (posición Norm): no aparece nada en la pantalla si no hay señal en la entrada.
- X/Y (posición x/y): el canal 1 produce la deflexión vertical (eje Y), y el canal 2 la deflexión horizontal (eje X). En esta posición es indiferente el modo de funcionamiento.
16. Selector de la fuente de barrido: Seleccionamos la fuente de disparo, que puede ser una propia, la misma señal del canal 1, la señal del canal 2, una señal exterior de la red o una señal exterior.
17. Conmutador de acoplamiento para el sincronismo: Las posiciones de este conmutador:
- AC: la componente continua es bloqueada de la señal que va a dar la fuente de disparo.
- VIDEO FRAME: la componente vertical es una señal de video que se utiliza como fuente de disparo.
- VIDEO LINE: la componente horizontal es una señal de video que se utiliza como fuente de disparo. Esta señal puede también no ser de video.
18. Nivel (comienzo del trazo): Mediante este mando podemos elegir el punto de la onda en el que comienza el trazo.
19. Entrada vertical (CH2): Entrada para la sonda (canal 2).
20. Ajuste de la sonda: Para la comprobación de las sondas, conectaremos sus puntas de prueba a este terminal y en pantalla obtendremos una señal de prueba.
21. Brillo (intensidad): Nos ilumina más o menos el trazo de la señal.
22. Foco: Ajustamos el trazo.
23. Interruptor.

 


En la actualidad se están imponiendo los osciloscopios digitales debido a las ventajas que presenta frente a los analógicos. En estos tendremos más opciones a la hora de analizar una señal, que normalmente aparecerán mediante menús en pantalla.

Lo importante es que en todos los osciloscopios nos encontraremos con una serie de bloques que nos permiten su manejo:

Tubo de rayos catódicos (TRC.) o pantalla: Aquí están situados los controles sobre la imagen en la pantalla (foco, intensidad, etc).
Etapa vertical: Mediante los controles situados en este bloque seleccionamos las señales a visualizar, y parámetros relativos a la amplitud de la mismas, así como el modo en que se visualizarán (atenuador / amplificador de entrada, ajuste fino de sensibilidad de escala, conmutador para seleccionar la señal a visualizar, etc.).
Etapa horizontal o circuito de barrido: Nos encontramos aquí con los controles de las señales en función del tiempo (atenuador / amplificador de barrido, factor de conversión de escala, etc.).
Circuito de disparo: Se distinguen los controles relativos al modo en que se produce el disparo (independientemente de la fuente), así como el tipo de acoplamiento (adaptación de la señal a visualizar) de la señal de disparo (selector de fuente de barrido, level, etc.).
Conectores de entrada: Aquí nos encontramos con las entradas para las señales y señales de disparo.

 

COMPARATIVA ENTRE OSCILOSCOPIOS DIGITALES Y ANALÓGICOS

OSCILOSCOPIO DIGITAL

OSCILOSCOPIO ANALÓGICO

Traza limpia y brillante sin modulación de intensidad

Permite la modulación de intensidad. En alta frecuencia el brillo es poco.

Almacenamiento ilimitado

Tiempo limitado de memoria y técnicas fotográficas complejas.

Incremento de resolución mediante cursores.

Menor resolución aunque pueden disponer de cursores.

Información anterior al disparo mediante pre trigger.

No permite pre disparo.

Ancho de banda variable en muestreo real. Gran ancho de banda en muestreo equivalente (hasta 15 GHz).

Ancho de banda constante dependiente de la amplitud (difícilmente superior a 1 GHz).

Velocidad de actualización de la pantalla lenta.

Adquisición continua.

Mayor coste que los osciloscopios analógicos.

Precios moderados.

Facilidad de manejo y análisis de señales de ocurrencia única.

Imposibilidad de captura de señales uni ciclo.

Posibilitan una fácil documentación mediante conexión a plotters, impresoras, y comunicación con ordenadores.

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(Comentarios basados en los modelos CS-1022)

 

OSCILOSCOPIOS: VISUALIZACIÓN Y TOMA DE MEDIDAS

PRECAUCIONES GENERALES

Antes de conectar el osciloscopio es conveniente ajustar el brillo (INTENSITY) en su posición intermedia, para evitar un fuerte destello del haz sobre la pantalla, y evitar el deterioro de esta.
Los controles de desplazamiento del haz de las etapas vertical y horizontal (POSITION) debemos ajustarlos en sus posiciones intermedias, ya que si están en sus posiciones extremas no podremos visualizarlo.
Debemos asegurarnos de que la fuente de barrido (SOURCE) del circuito de disparo (TRIGGER) preseleccionada es correcta. Si está seleccionada en la posición "EXT" (fuente externa), y no aplicamos ninguna señal de barrido, el haz permanecerá inmóvil en la pantalla (en ausencia de señal de entrada) si el modo de disparo es automático (MODE-AUTO), o no aparecerá si el modo es normal (MODE-NORM).

PUESTA EN MARCHA

Una vez que se ha encendido el osciloscopio situaremos el conmutador de entrada de señal vertical correspondiente en la posición GND y mediante los controles de posición (POSITION) ajustamos el trazo en una posición de referencia en la retícula de la pantalla (normalmente en el centro). Una vez hecho esto ajustaremos los distintos controles del tubo de rayos catódicos como intensidad adecuada, foco, rotación del trazo, etc..

VISUALIZACIÓN DE SEÑALES

Para visualizar una señal hemos de introducir la sonda o sondas de medida en el conector de entrada vertical (INPUT). Si el osciloscopio es de doble canal, dispondremos de dos entradas, normalmente CH1 ó Y, y CH2 ó X. Para señales de elevada tensión usaremos sondas especiales atenuadoras.
Para modificar la representación de la imagen actuaremos sobre los conmutadores de atenuación vertical (VOLTS/DIV) y horizontal o barrido (TIME/DIV o SEC/DIV). Así, por ejemplo, no podremos visualizar una señal de 30 V, si el atenuador VOLTS/DIV está en la posición de 10mV/div, o una señal de 10 Khz. (T=0,1 ms) si el atenuador SEC/DIV está en la posición de 5s/div.
Antes de efectuar una medida hemos de ajustar los mandos ajuste fino de sensibilidad vertical y horizontal (VARIABLE) en la posición CAL.

TOMA DE MEDIDAS

Una vez visualizada la señal, estamos en disposición de efectuar su medición:

    MEDIDA DE TENSIÓN ALTERNA:
El selector de entrada debe estar en la posición "AC" y debe aparecer un ciclo completo de la señal. La medida de una tensión alterna se obtiene mediante el producto del número de cuadros ocupados por la señal en la retícula de la pantalla (pico a pico), por la escala seleccionada en el atenuador vertical VOLTS/DIV, siempre que el mando de ajuste fino (VARIABLE) se encuentre en su posición "CAL".
La magnitud de la escala seleccionada normalmente viene impresa con marcas en el mismo mando VOLTS/DIV, aunque en algunos modelos se muestra directamente en la pantalla.

    MEDIDA DE TENSIÓN CONTINUA:
En este caso situaremos el selector de entrada en la posición DC (acoplamiento DC). De la misma forma actuaremos si tratamos de medir una señal alterna que tiene superpuesta un nivel de continua. Si en este último caso situaremos la entrada en posición AC, eliminaríamos la componente continua con lo que solamente se visualizaría la componente alterna de la señal.
El procedimiento de lectura de la medida es el mismo que en el caso de una tensión alterna, pero hemos de fijar la línea de referencia (acoplamiento GND) en torno a la cual se desplazará el haz, positiva (hacia arriba) o negativamente (hacia abajo), en función de la magnitud medida y la posición del atenuador de entrada vertical (VOLTS/DIV).

    MEDIDA DE FRECUENCIA:
Para obtener la frecuencia de una señal hemos de visualizar un ciclo completo de esta como mínimo. El cálculo lo haremos en base al tiempo de duración de un ciclo, siendo la frecuencia la inversa del periodo (f=1/T). Para ello contamos los cuadros ocupados por un ciclo completo en el eje horizontal, y multiplicamos dicha cantidad por el tiempo de barrido seleccionado en el conmutador SEC/DIV, con lo que la frecuencia será la inversa del valor obtenido. No debemos olvidar situar el mando de ajuste fino de sensibilidad (VARIABLE), del circuito horizontal, en la posición CAL.

 

EJEMPLOS

TENSIÓN ALTERNA Y FRECUENCIA


Tensión de pico:
  3 DIV x 0,5 VOLTS/DIV = 1,5 V (de pico)
Tensión pico-pico:   Vp-p = 3 V
Frecuencia:   8 DIV x 0,1 ms = 0,8 ms
  f = 1/T = 1/0,8ms = 1250 Hz

TENSIÓN CONTINUA


Valor de tensión:
  4,6 DIV x 2 VOLTS/DIV = 9,2V

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